DE4434383A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Bestücken und Löten von dreidimensionalen Leiterplatten - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vor­ richtung zum Bestücken und Löten von dreidimensiona­ len Leiterplatten.

Für konventionelle SMT-Leiterplatten steht ein brei­ tes Spektrum an vollautomatischen Betriebsmitteln zur Verfügung. Diese basieren auf der Einteilung der Schritte Lotpastenauftrag, Bestückung und Reflowlö­ tung auf getrennten Systemen, was zur Folge hat, daß der jeweilige Prozeßschritt für alle Bauelemente ab­ geschlossen werden muß, bevor der nächste gleichfalls für alle Bauelemente folgen kann. Die bekannten Be­ stück- und Lötmaschinen sind für plane, horizontal ausgerichtete Leiterplatten konzipiert. Eine Anwen­ dung dieser Bestück- und Lötmaschinen für dreidimen­ sionale Leiterplatten kommt bestenfalls dann in Be­ tracht, wenn alle Bauelementpositionen in zur Hori­ zontalen parallelen Ebenen liegen. Bei den bekannten Bestückautomaten ist der Hub in Z-Richtung, das heißt der Vertikalhub stark eingeschränkt und es dürfen 50 mm Höhendifferenz üblicherweise nicht überschrit­ ten werden. Dies bedeutet, daß dreidimensionale Lei­ terplatten nicht mit den bekannten Bestück- und Löt­ maschinen behandelt werden können und die Bestückung manuell durchgeführt wird. Die Verlötung wird im Ein­ zellötverfahren bewerkstelligt.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Bestücken und Lö­ ten von dreidimensionalen Leiterplatten zu schaffen, mit denen eine automatische Bestückung und Verlötung durchgeführt werden können, wobei die Produktqualität erhöht werden soll.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Hauptanspruchs und des nebengeordneten Anspruchs gelöst.

Dadurch, daß die Leiterplatte mittels eines Indu­ strieroboters gehalten und zu verschiedenen Bearbei­ tungsstationen, wie Lotpastenauftragung, Bestückung und Verlötung transportiert wird, kann die Bestückung der gesamten Leiterplatte sowie die Verlötung in ei­ nem System durchgeführt werden. Aufgrund der Handha­ bung der Leiterplatte durch den Industrieroboter kann die Leiterplatte in bezug auf die Bearbeitungsstation in die gewünschte Arbeitsposition gebracht werden, wodurch jede beliebige freigeformte dreidimensionale Leiterplatte bestückt werden kann. Da die verschiede­ nen Bearbeitungsschritte sequentiell Bauelement für Bauelement durchgeführt werden, kann die Klebefixie­ rung des Bauelementes, wie sonst üblich, entfallen.

Aufgrund der Eliminierung von Transportvorgängen und Liegezeiten zwischen den Bearbeitungsschritten können potentielle Fehlerquellen, wie zum Beispiel verscho­ bene Bauelemente, ausgeschaltet und die Produktquali­ tät erhöht werden. Das Verfahren ermöglicht die Kom­ plettbearbeitung in einem System, wobei alle Funk­ tionsmodule in diesem integriert sind, und sowohl den Transport der Leiterplatte innerhalb des Systems als auch Positionier- und Montagebewegungen werden von dem Industrieroboter übernommen. Alle Prozesse finden in der Horizontalen (Wannenlage) statt, wodurch die Einflüsse der Schwerkraft bei geneigten Teilflächen eliminiert werden. Es werden Fehler aufgrund uner­ wünschter Lageänderungen von Bauelementen durch Transport oder Greifvorgänge vermieden, wobei die Tatsache dazu beiträgt, daß der Greifer für die Lei­ terplattenhandhabung innerhalb des Systems und die Aufspannvorrichtung für die Leiterplatte identisch sind.

Durch die in den Unteransprüchen angegebenen Maßnah­ men sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesse­ rungen möglich.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeich­ nung dargestellt und werden in der nachfolgenden Be­ schreibung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 die schematische Darstellung der Be­ arbeitungsstation des Auftragens der Lotpaste,

Fig. 2 die schematische Darstellung des Ver­ messens des Bauelementes,

Fig. 3 die schematische Darstellung des Be­ stückungsvorganges,

Fig. 4 die schematische Darstellung des Löt­ vorganges, und

Fig. 5 eine schematische Darstellung auf die gesamte Vorrichtung zum Bestücken und Löten von Leiterplatten.

Die in Fig. 5 dargestellte Vorrichtung zum Bestücken und Löten von dreidimensionalen Leiterplatten, die lediglich schematisch dargestellt ist, weist als Kernbestandteil einen mindestens 5-achsigen Indu­ strieroboter 13 mit einem Greifwerkzeug 14 auf. Das Greifwerkzeug 14 dient zum Festhalten und Fixieren der zu bearbeitenden Leiterplatte 1. Im Bewegungsbe­ reich des Industrieroboters, der durch den gestri­ chelten Kreis dargestellt ist, liegen unterschiedli­ che als Funktionsmodule ausgebildete Bearbeitungssta­ tionen, nämlich ein Dispenser 2 für Lotpaste, eine Zuführeinrichtung 9 für Bauelemente, eine optische Vermessungseinrichtung 5 und eine Lötvorrichtung 6, 7. Der Dispenser 2 ist mit einer Steuervorrichtung 12, vorzugsweise pneumatischer Art verbunden. Die Zuführeinrichtung 9 weist Magazine für die Bauelemen­ te 4 auf, wobei ein Mehrfachgreifer 11, an dem Saug­ pipetten 3 angeordnet sind, die Bauelemente 4 er­ greift und verfahrbar längs einer Linearachse 10 an­ geordnet ist.

Die optische Vermessungsvorrichtung weist eine CCD-Kamera 5 und Lampen 17 auf. Als Lötvorrichtung wird eine Laserquelle 6 und ein Scanner 7 verwendet, der eine Ablenkung des Laserstrahls vornimmt. Die zu be­ stückenden Leiterplatten sowie die bestückten Leiter­ platten werden über Magazine 15, 16 zu- bzw. abge­ führt, wobei jedoch auch Transportbänder eingesetzt werden können.

Die Funktionsweise der Vorrichtung ist wie folgt. Das Greifwerkzeug 14 entnimmt unter Steuerung des Industrieroboters 13 eine Leiterplatte 1 und der In­ dustrieroboter 13 bringt die Leiterplatte 1 in eine Stellung entsprechend Fig. 1 unter den Dispenser 2, wobei das Greifwerkzeug 14 so gesteuert wird, daß die zu bearbeitende Stelle auf der Leiterplatte, in einer horizontalen Ebene angeordnet ist. Die Lotpaste wird durch den Dispenser 2 auf die Leiterplatte 1 aufge­ bracht, wobei, falls notwendig, die Leiterplatte durch den Industrieroboter 13 in die beispielsweise durch die Pfeile angedeuteten Richtungen in die je­ weils gewünschte Position bringt.

Das zu bestückende Bauelement 4 wird über die Saugpi­ pette 3 des Mehrfachgreifers 11 entlang der Linear­ achse 10 in eine universelle Abholposition oberhalb der CCD-Kamera 5 entsprechend Fig. 2 gebracht. Dort findet die optische Vermessung der tatsächlichen Bau­ elementposition statt, wobei von einer nicht darge­ stellten Steuervorrichtung die Abweichung zwischen der tatsächlichen Position des Bauelementes 4 und der vorgegebenen universellen Abholposition festgestellt wird, und diese Abweichung fließt als Korrekturwert in die Positioniersteuerung des Industrieroboters 13 ein.

Entsprechend Fig. 3 bringt der Industrieroboter 13 die Leiterplatte in die gewünschte Stellung unterhalb des Bauelementes 4 und bewegt die Leiterplatte 1, wie durch den Pfeil angedeutet, in Richtung auf das Bau­ element 4. Das heißt, daß die Fügebewegung beim Be­ stücken, horizontal nach oben, von der Leiterplatte 1 durchgeführt wird.

In Fig. 4 wird der Verlötvorgang dargestellt, bei dem die Leiterplatte 1 in Ruhe ist, während der Laser­ strahl 8 für seine Positionierung durch den Scanner 7 abgelenkt wird. Durch den bewegten Laserstrahl 8 wird das zuvor über den Dispenser aufgebrachte Lot aufge­ schmolzen und verfestigt sich anschließend.

Wie oben beschrieben wird, werden die Prozesse des Auftragens der Lotpaste (Fig. 1), des optischen Ver­ messens (Fig. 2), des Bestückens (Fig. 3) und des Einlötens (Fig. 4) sequentiell, das heißt Bauelement für Bauelement durchgeführt. Es können jedoch auch Bauelemente, die in derselben oder in parallelen Ebe­ nen liegen, zu Gruppen zusammengefaßt werden.

Ein wesentlicher Gedanke der Erfindung ist, daß die Positionier-, Orientierungs- und Montagebewegungen seitens der Leiterplatte durchgeführt werden, die wiederum von dem Industrieroboter gehandhabt wird, während die Funktionsmodule einer festen Position innerhalb der Zugriffsbereiche des Industrieroboters zugeordnet sind.

Die Zuführung des Bauelementes in die Abholposition sowie das Vermessen der wirklichen Position des Bau­ elementes können zeitlich parallel zu anderen Prozes­ sen wie des Auftragens von Lotpaste oder des Einlö­ tens durchgeführt werden.

Selbstverständlich können, wenn notwendig, noch ande­ re Funktionsmodule bzw. Bearbeitungsstationen vorge­ sehen sein.

Claims (12)

1. Verfahren zum Bestücken und Löten von dreidimen­ sionalen Leiterplatten, bei dem die Bauelemente in die bzw. auf die Leiterplatte ein- bzw. auf­ gesetzt und verlötet werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Leiterplatte mittels eines Industriero­ boters gehalten und zu verschiedenen Bearbei­ tungsstationen transportiert wird, wobei die Bearbeitung an den verschiedenen Bearbei­ tungsstationen für jeweils ein Bauelement bzw. eine Gruppe von Bauelementen nacheinander durch­ geführt wird und wobei die Leiterplatte hin­ sichtlich der Bearbeitungs- und Bestückungsposi­ tion des jeweiligen Bauelementes in der Horizon­ talen gehalten wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die Leiterplatte für jedes Bauelement bzw. jede Gruppe von Bauelementen nacheinander an den Bearbeitungsstationen des Auftragens der Lotpaste, des Zuführens des Bauelementes und dessen optischen Vermessens, des Bestückens des Bauelementes und des Einlötens vorbeigeführt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Gruppe von Bauelementen aus solchen Bauelementen gebildet wird, die auf der Leiterplatte in derselben oder in parallelen Ebenen liegen.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da­ durch gekennzeichnet, daß die Fügebewegung beim Bestücken durch die Leiterplatte durchgeführt wird, wobei die Bestückungsposition horizontal gehalten wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, da­ durch gekennzeichnet, daß beim Verlöten die Lei­ terplatte in Ruhe gehalten wird und der zum Ver­ löten verwendete Laserstrahl durch einen Scanner positioniert wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, da­ durch gekennzeichnet, daß das Bauelement für die Bestückung in eine universelle Abholposition gebracht wird, daß durch eine optische Vermes­ sung die tatsächliche Bauelementenposition fest­ gestellt wird, und daß die tatsächliche Bauele­ mentenposition für eine Korrektur der Steuerung der Positionierung des verwendeten, die Leiter­ platte haltenden Industrieroboters verwendet wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, da­ durch gekennzeichnet, daß die Zuführung der Bau­ elemente und/oder die optische Vermessung je­ weils parallel zu anderen Vorgängen, wie Auftra­ gen von Lotpaste oder Einlöten durchgeführt wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, da­ durch gekennzeichnet, daß die unbestückten und bestückten Leiterplatten über Magazine und/oder Transportbänder in oder aus dem Handhabungsbe­ reich des Industrieroboters gebracht werden.

9. Vorrichtung zum Bestücken und Löten von dreidi­ mensionalen Leiterplatten (1) mit verschiedenen Funktionsmodulen, wie Dispenser (2) für Lotpa­ ste, Zubringereinrichtung (9) für Bauelemente (4) und Lötvorrichtung (6, 7) und mit einem ein Greifwerkzeug (14) aufweisenden Industrieroboter (13), der die in dem Greifwerkzeug (14) gehalte­ ne zu bestückende Leiterplatte (1) in bezug auf die Funktionsmodule (2, 5, 7) positioniert und nacheinander jeweils für ein Bauelement oder eine Gruppe von Bauelementen an den Funktions­ modulen vorbeiführt, wobei die jeweilige Bear­ beitungs- bzw. Bestückungsstelle auf der Leiter­ platte (1) in einer parallelen Ebene zur Hori­ zontalen liegt.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Lötvorrichtung (6, 7) eine La­ serquelle (6) und einen Scanner (7) zum Ausrich­ ten des Laserstrahls aufweist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Zubringereinrichtung (9, 10, 11) das Bauelement in eine allgemeine Ab­ holposition bringt und daß eine optische Vermes­ sungsvorrichtung (5) zum Messen der wirklichen Position des Bauelementes vorgesehen ist.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die optische Vermes­ sungsvorrichtung eine CCD-Kamera (5) ist.